(57)【要約】【課題】従来と同じ冷却風量で風下側の固定子コイルの温度上昇を低減し固定子コイルの温度勾配の小さい回転電機を提供する。【解決手段】筒状をなす固定子枠９の内側に設けられた固定子鉄心１と、前記固定子鉄心１に装着された固定子コイル２と、前記固定子枠９の端部に装着されたブラケット１３を介して支持され前記固定子鉄心１の内周面とのあいだに所定のギャップ１１を存して回転する回転子７とを備え、前記固定子枠９の一方の端部に開口し機内に冷却風を供給する風取り入れ窓１０と、前記ブラケット１３に形成され冷却風を機外に排出する排風口１４とを有する回転電機において、前記固定子枠９の外側に設けられ前記風取り入れ窓１０に開口する風窓５から冷却風を導いて前記固定子枠９の他方の端部に開口する導入窓１７から機内に冷却風を供給する通風路１６を備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなす固定子枠の内側に設けられた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された固定子コイルと、前記固定子枠の端部に装着されたブラケットを介して支持され前記固定子鉄心の内周面とのあいだに所定のギャップを存して回転する回転子とを備え、前記固定子枠の一方の端部に開口し機内に冷却風を供給する風取り入れ窓と、前記ブラケットに形成され冷却風を機外に排出する排風口とを有する回転電機において、前記固定子枠の外側に設けられ前記風取り入れ窓に開口する風窓から冷却風を導いて前記固定子枠の他方の端部に開口する導入窓から機内に冷却風を供給する通風路を備えていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記風窓は前記風取り入れ窓に設けられた仕切板によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項３】
前記固定子枠の前記他方の端部の内側に取り付けられたリング状仕切板を備え、前記リング状仕切板の内周と前記固定子コイルの端部との距離は前記排風口の外周側辺縁と前記固定子コイルの端部との距離より小さく形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項４】
前記排風口の外周側辺縁は前記固定子コイルの端部の曲げ中心より内周側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項５】
前記固定子鉄心の側面に取り付けられ前記導入窓から機内へ供給された冷却風を円周方向に分流させる円弧状の整流板を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
【請求項６】
前記整流板は中心が長く端が短い山形をなしていることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おもに鉄道車両の主電動機として用いられる回転電機に係り、冷却構造を改良した回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年鉄道車両は、大量輸送及び高速走行のニーズが高くなり、鉄道車両を駆動する主電動機は大出力化を図る構成が多く取り入れられている。主電動機は台車内の狭いスペースに設置されるため大きさを大きくすることは限られており、主電動機の大きさを従来と同等にしながら大出力化を図るためには主電動機の高速化と冷却性能の向上が必要である。ここで主電動機の高速化については、回転子の遠心力による強度限界と軸受の潤滑限界から限度があり、飛躍的な高速化には限度がある。
【０００３】
主電動機の冷却性能の向上については、回転子にファンを設けた構成の自己通風式主電動機では、主電動機内スペースの問題から冷却風量に限度があり、機関車用などの特に大きな出力を要求される主電動機では主電動機の外部に専用の冷却用送風機を設けて、強い冷却風を主電動機内に通風し冷却性能を向上させる構成がとられている。
【０００４】
しかしながら、かご形主電動機では固定子鉄心と回転子鉄心の間のエアーギャップが狭いことから、圧力の大きい冷却風を送ることができる送風機を設けなければならず、送風機の大きさが大きくなり限度がある。また送風機の送風性能増大と比例して送風機騒音が増大し騒音問題からも送風能力に限度があることから、主電動機の冷却性能の向上による主電動機の出力増大は困難である。
【０００５】
また強制風冷式大出力の主電動機の冷却風は風速及び風量共に大きく、機関車用主電動機では特に大きい。このように風量が大きい大出力の主電動機では主電動機内の風上側と風下側とで温度差が大きい。
【０００６】
鉄道車両用主電動機のコイル温度上昇の限度値はＪＩＳで規定されているＨ種が一般的に使用されており１８０Ｋとされている。この限度値１８０Ｋは最も温度が高い部分で決められており、風下側と風上側とで温度勾配が生じる場合は、局部的に最高温度となる部位が限度となるために、出力増大の面で不利である。
【０００７】
機関車用大出力主電動機では風下側で温度限度値１８０Ｋとなる場合、風上側が１３０Ｋ程度となり平均温度上昇が１５５Ｋであっても５０Ｋもの温度差となり約３８％もの勾配が生じる。このように主電動機の温度が局部的に高くなる風下側で限度値が決まり出力増大が困難である。
【０００８】
図１０に従来の機関車用主電動機の上半縦断面図を示し、図１１に横断面図を示す。これらの図において、主電動機はかご形誘導電動機であり、固定子鉄心１に固定子コイル２が巻装され、固定子鉄心１の内径側に回転子７を構成する回転私鉄心３がシャフト４上に積層され、回転子鉄心３のスロットにロータバー５が挿入され、ロータバー５の両端部は短絡環６で接続されている。シャフト４の両端は軸受８により固定子枠９に取り付けられたブラケット１３に支持されている。
【０００９】
固定子枠９の反駆動側の一部に風取り入れ窓１０が形成されており、この窓１０から電動機外に設けられた送風機からの冷却風が通風される。この冷却風は風取り入れ窓１０から固定子鉄心１内周と回転子鉄心３外周との間のギャップ１１や回転子鉄心３に設けた風穴１２を通過し駆動側に通風され、ブラケット１３に設けられた排風口１４から機外へ排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
機関車用大出力主電動機において例えば出力６００ｋＷを得るためには５０ｍ3／minの大きな冷却風量が機外の送風機から送風され、前述のように反駆動側の風取り入れ窓１０からギャップ１１及び回転子鉄心３の風穴１２を通風し駆動側のブラケット１３の排風口１４から排出される。固定子コイルの温度上昇限度はＪＩＳの鉄道車両用主電動機で規定されている絶縁種別Ｈ種の１８０Ｋで、この主電動機の固定子コイルの温度分布は、最も温度上昇が高い部分が風下側の固定子コイル２部で１８０Ｋとなり、風上側になるに従い温度が下がり１３０Ｋとなる。平均温度上昇は１５５Ｋであるが、このように固定子コイルの温度勾配は大きい。
【００１１】
主電動機の温度上昇は直接的に主電動機の固定子コイルの絶縁寿命に影響があり、固定子コイル各部の平均温度ではなく最も高い部分の温度で絶縁寿命が左右されるので、温度勾配が大きい主電動機は出力上不利である。  
そこで本発明は、従来と同じ冷却風量で風下側の固定子コイルの温度上昇を低減し固定子コイルの温度勾配の小さい回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明は、筒状をなす固定子枠の内側に設けられた固定子鉄心と、前記固定子鉄心に装着された固定子コイルと、前記固定子枠の端部に装着されたブラケットを介して支持され前記固定子鉄心の内周面とのあいだに所定のギャップを存して回転する回転子とを備え、前記固定子枠の一方の端部に開口し機内に冷却風を供給する風取り入れ窓と、前記ブラケットに形成され冷却風を機外に排出する排風口とを有する回転電機において、前記固定子枠の外側に設けられ前記風取り入れ窓に開口する風窓から冷却風を導いて前記固定子枠の他方の端部に開口する導入窓から機内に冷却風を供給する通風路を備えている構成とする。
【００１３】
請求項２の発明は、前記風窓は前記風取り入れ窓に設けられた仕切板によって形成されている構成とする。  
請求項３の発明は、前記固定子枠の前記他方の端部の内側に取り付けられたリング状仕切板を備え、前記リング状仕切板の内周と前記固定子コイルの端部との距離は前記排風口の外周側辺縁と前記固定子コイルの端部との距離より小さく形成されている構成とする。
【００１４】
請求項４の発明は、前記排風口の外周側辺縁は前記固定子コイルの端部の曲げ中心より内周側に形成されている構成とする。  
請求項５の発明は、前記固定子鉄心の側面に取り付けられ前記導入窓から機内へ供給された冷却風を円周方向に分流させる円弧状の整流板を備えている構成とする。  
請求項６の発明は、前記整流板は中心が長く端が短い山形をなしている構成とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来と同じ冷却風量で風下側の固定子コイルの温度上昇を低減し固定子コイルの温度勾配の小さい回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して第１〜第６の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１の上半縦断面図および図２の横断面図に示すように、本実施例の回転電機はかご形誘導電動機であり、固定子鉄心１に固定子コイル２が巻装され、固定子鉄心１の内径側に回転子７を構成する回転子鉄心３がシャフト４上に積層され、前記回転子鉄心３のスロットにロータバー５が挿入され、ロータバー５の両端部は短絡環６で接続されている。シャフト４の両端は軸受８により固定子枠９に支持されている。固定子枠９の反駆動側の一部に風取り入れ窓１０が設けられている。
【００１８】
以上の構成は従来の回転電機と同じであるが、本実施例においては固定子枠９の風取り入れ窓１０の内部に更に風窓１５が設けられ、この風窓１５から固定子枠９の外周面に沿って通風路１６が形成され、駆動側の固定子枠９の一部に導入窓１７が設けられ、通風路１６が風取り入れ窓１０内部と駆動側の固定子枠９内部の空間を連通している。
【００１９】
以上のような構成によって、回転電機機外に設けられた冷却用送風機からの送風が風導を介して、固定子枠９の風取り入れ窓１０から回転電機機内に送風される。冷却風は回転電機機内の反駆動側から発熱部である風上側の固定子コイル２やギャップ１１及び回転子鉄心３の風穴を通過し、温度上昇した風が駆動側に流れブラケット１３の排風口１４から機外に排出される。
【００２０】
一方、送風機から送風された冷却風の一部は風取り入れ窓１０の内部に設けられている風窓１５から通風路１６を経て、温度が高い発熱部を直接に通ることなく導入窓１７から風下側の機内へと通風される。この風下側の機内に通風された冷却風は、温度が高い固定子コイル２を直接に冷却し、加熱された風がブラケット９の排風口１４から機外へと排出される。
【００２１】
通風路１６に導入する風量を、風上側の固定子コイルと風下側の固定子コイルの温度勾配が最も小さくなるように設定することによって、固定子コイル２の温度上昇分布は図３（ａ）に示す通りになる。平均温度上昇は図３（ｂ）に示す従来の回転電機の場合と同様の１５５Ｋであるが、温度が高い方の風下側が１６５Ｋの時に風上側は１４５Ｋとなり、温度差が２０Ｋとなり温度勾配は約１４％と大幅に軽減される。この風下側の温度が低下した分だけ回転電機の出力を増大することができる。
【００２２】
本実施例は、固定子枠９の風取入れ窓１０内に更に風窓１５を設け、この風窓１５が風下側の固定子枠９内の固定子コイル２が配置された機内に連通するよう固定子枠９外に通風路１６を設け、この通風路１６に流れる冷却風は回転電機冷却風全体の一部分が通風可能な面積としたものである。
【００２３】
上記構成により、回転電機機外に設けられた送風機からの冷却風が風上側の固定子枠９の風取り入れ窓１０から導入され、一部の冷却風が前記窓１０内に更に設けられた風窓１５から固定子枠９外の通風路１６に導入され風下側の機内に直接に導入することで、風上側の固定子コイル２の冷却風がその分減少し温度が高くなるものの、逆に風下側に直接導入され、ひいては風量が増加し湿度が高い風下側の固定子コイル２の温度を下げることができる。つまり回転電機の冷却風の通風方向に対する温度勾配を大幅に改善する効果が得られる。
【実施例２】
【００２４】
つぎに図４を参照して本発明の第２の実施例を説明する。すなわち、本実施例の回転電機であるかご形誘導電動機は、固定子鉄心１、固定子コイル２、回転子鉄心３、軸受８、通風路１６および導入窓１７については第１の実施例で説明した構成（図１）と同じであるが、固定子枠９の風取り入れ窓１０内に、仕切板１８を設けて、機外の冷却用送風機からの送風を、仕切板１８で強制的に反駆動側（風上側）の機内への送風と、通風路１６から駆動側風下側の機内への送風とに分離する構成とする。この実施例によれば冷却改善と出力向上の効果が得られる。
【実施例３】
【００２５】
つぎに図５を参照して本発明の第３の実施例を説明する。すなわち、本実施例の回転電機であるかご形誘導電動機は、固定子鉄心１、固定子コイル２、回転子鉄心３、軸受８、仕切板１８、通風路１６および導入窓１７については第２の実施例で説明した構成（図４）と同じであるが、固定子枠９の風下側機内部に全周リング状の仕切板１９を設けた構成とする。このリング状の仕切板１９の内周面と固定子コイル２端面との隙間Ｌを、固定子コイル２端面とブラケット１３の排風口１４との距離Ｌ’より狭く構成している。この狭くした隙間部分で通風路１６から直接に導入されブラケットの排風口１４から排出される冷却風の通風抵抗が高くなり、固定子コイル２の表面の風速が高くなることと、固定子コイル２の隙間に流れる冷却風の風量が増大することで、すぐれた冷却効果が得られる。
【実施例４】
【００２６】
つぎに図６を参照して本発明の第４の実施例を説明する。本実施例の回転電機であるかご形誘導電動機は、固定子鉄心１、固定子コイル２、回転子鉄心３、軸受８、仕切板１８、通風路１６および導入窓１７については第２の実施例で説明した構成（図４）と同じであるが、ブラケット１３の排風口１４の外周側の壁面を固定子コイル２の端部曲面の中心より電動機の内周側に構成し、且つ固定子コイル２の端とブラケット１３の端面との隙間Ｑを図５で示した隙間Ｌと同じ程度になるように狭くする。この実施例によれば、隙間Ｑでの通風抵抗が高くなり、固定子コイル２表面の風速が高くなることと、固定子コイル２の隙間に流れる冷却風の風量が増大することですぐれた冷却効果が得られる。
【実施例５】
【００２７】
つぎに本発明の第５の実施例を図７及び図８を参照して説明する。なお図８は図７のVIII−VIII線に沿う横断面図である。本実施例のかご形誘導電動機は、固定子鉄心１、固定子コイル２、回転子鉄心３、軸受８、風取り入れ窓１０、通風路１６については第１の実施例で説明した構成（図１）と同じであるが、本実施例では風下側の機内の固定子鉄心１に、電動機の軸方向から見た場合に円弧状の整風板２０を設けた構成としている。整風板２０は、固定子枠９の通風路１６の導入窓１７から風下側機内へと通風された冷却風を左右に分流させる。分流された冷却風は固定子枠９の内径面と整風板２０の外径面との隙間を通り、導入窓１７と反対側の機内下部へと導かれる。この作用により、温度の低い冷却風が当たりにくく温度上昇が大きい導入窓１７から最も距離が遠い部分の固定子コイルの温度上昇を抑えることができ、風下側固定子コイル２の温度勾配を改善することができる。
【実施例６】
【００２８】
つぎに図９によって本発明の第６の実施例を説明する。図９は、第５の実施例で説明した図７のIX−IX矢視方向から見た平面図である。整風板２０は中央部の長さａが最も長く端部の長さａ’がａより短くなるように構成している。長さ寸法が大きいａ部が導入窓１７の中央近傍位置に対向し、導入窓１７から距離が離れるに従い長さ寸法が短くなるよう構成している。このように整風板２０を構成することで、整風板２０とブラケット１３の間の寸法ｂが、整風板２０の長さの短い端部になるほど広くなる。この隙間が狭い部分は冷却風の通風抵抗が高いが、風下側で固定子コイル２の温度が高い導入窓１７と反対側（下側）になるほど隙間が広がるので、冷却風が通風しやすくなり、風下側固定子コイル２の温度勾配を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施例の回転電機の上半縦断面図。
【図２】図１のII−II線に沿う横断面図。
【図３】回転電機の固定子コイルの温度上昇を示し、（ａ）は本発明の第１の実施例、（ｂ）は従来のものを示すグラフ。
【図４】本発明の第２の実施例の回転電機の上半縦断面図。
【図５】本発明の第３の実施例の回転電機の上半縦断面図。
【図６】本発明の第４の実施例の回転電機の上半縦断面図。
【図７】本発明の第５の実施例の回転電機の上半縦断面図。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿う横断面図。
【図９】本発明の第６の実施例の回転電機の要部を示し、図７のIX−IX線に沿う平面図。
【図１０】従来の回転電機の上半縦断面図。
【図１１】図１０のXI−XI線に沿う横断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１…固定子鉄心、２…固定子コイル、３…回転子鉄心、４…シャフト、５…ロータバー、６…短絡環、７…回転子、８…軸受、９…固定子枠、１０…風取り入れ窓、１１…ギャップ、１２…風穴、１３…ブラケット、１４…排風口、１５…風窓、１６…通風路、１７…導入窓、１８…仕切板、１９…リング状仕切板、２０…整風板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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